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分色镜及使用该分色镜的投影装置 Download PDF

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Abstract

一种分色镜，包括基体层，第一膜堆和第二膜堆，第一膜堆和第二膜堆依次形成于基体层之上。第一膜堆和第二膜堆分别由高折射率材料和低折射率材料构成的复合层形成。所述第一膜堆包括N1个由所述高折射率材料和低折射率材料形成的复合层，且所述第一膜堆的高折射率薄膜的厚度为四分之一设计波长的2倍，低折射率薄膜的厚度为八分之一设计波长，N1＝7～14；所述第二膜堆包括N2个由所述高折射率材料和低折射率材料形成的复合层，且所述第二膜堆的高折射率薄膜的厚度为四分之一设计波长的0.325倍，低折射率薄膜的厚度为八分之一设计波长的0.65倍，N2＝7～14。本发明还提供一种使用该分色镜的投影装置。

Description

分色镜及使用该分色镜的投影装置
技术领域
本发明涉及一种分色镜、以及使用该分色镜的投影装置。
背景技术
投影装置，例如LCD(Liquid Crystal Display)投影机、DLP(DigitalLighting Progress)投影机主要用于文稿资料演示，大尺寸电影画面显示等，以方便办公和个人娱乐。
现有的投影系统、通常采用像素化矩阵的方法显示画面，即将图像画面分割成若干微小的像素单元，例如VGA(Video Graphics Array 640*480)规格以及SVGA(Super Video Graphics Array 800*600)规格等。通过控制液晶分子或者DMD(Digital Micromirror Device)等微型器件，在每一像素单元上改变其亮度，色度等，从而形成视觉可以感知的画面。
因应微型化及低能耗的发展趋势，目前已发展出使用发光二极管(LED)作为光源的投影装置。然而，此种LED投影装置之光路上仍设有一片或者多片分色镜(Dielectric Mirror)，以优化投影系统的光路。例如一种蓝光分色镜，其对绿光“透明”，而对蓝光“不透明”，即该分色镜可以直接透过绿光，而反射蓝光。现有的分色镜一般为由高低折射率材料交替形成的多层膜，而LED发出的光束是无固定偏振方向的光束，其既包括P-Pol光，也包括S-Pol光，由于P-Pol光和S-Pol光具有随入射角度0而变化特性不同的导纳值Y(光学材料内任一点的导纳值为该点的磁场强度H与该点的电场强度E之比)。P-Pol光的导纳值为Y/cosθ，S-Pol光的导纳值为Ycosθ，所以，随着入射角度的增大，P-Pol光之高反射区越来越窄，而S-Pol光之高反射区越来越宽，造成P-Pol光和S-Pol光透过光谱曲线相互偏移较大。
现有的改进是使用一种胶合棱镜型分色镜，该分色镜的原理是利用在光束的入射角度为布鲁斯特角时P-Pol偏振光的反射率为零，其缺点是膜堆的层数要足够多，此显然不能满足低成本的要求。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种可有效减小P-Pol光和S-Pol光透射光谱相互偏移并具低成本的分色镜。
还有必要提供一种使用该分色镜的投影装置。
一种分色镜，包括基体层，第一膜堆和第二膜堆，其中，第一膜堆和第二膜堆依次形成于所述基体层之上。第一膜堆和第二膜堆分别由高折射率材料和低折射率材料交替形成。所述第一膜堆包括N1个由所述高折射率材料和低折射率材料形成的复合层，且其高折射率薄膜的厚度为四分之一设计波长的2倍，低折射率薄膜的厚度为八分之一设计波长，N1＝7～14
Figure G2007102024551D00021
所述第二膜堆包括N2个由所述高折射率材料和低折射率材料形成的复合层、且其高折射率薄膜的厚度为四分之一设计波长的0.325倍，低折射率薄膜的厚度为八分之一设计波长的0.65倍、N2＝7～14。
一种投影装置，包括光源系统和合光系统。光源系统包括第一发光二极管和第二发光二极管，第一发光二极管发出第一波长的光束，第二发光二极管发出第二波长的光束。合光系统包括至少一片分色镜，分色镜用于将第一波长的光束和第二波长的光束混合成一束光束。分色镜包括基体层，第一膜堆和第二膜堆，第一膜堆和第二膜堆依次形成于所述基体层之上。第一膜堆和第二膜堆分别由高折射率材料和低折射率材料交替形成。所述第一膜堆包括N1个由所述高折射率材料和低折射率材料形成的复合层，且其高折射率薄膜的厚度为四分之一设计波长的2倍，低折射率薄膜的厚度为八分之一设计波长，N1＝7～14；所述第二膜堆包括N2个由所述高折射率材料和低折射率材料形成的复合层，且其高折射率薄膜的厚度为四分之一设计波长的0.325倍，低折射率薄膜的厚度为八分之一设计波长的0.65倍，N2＝7～14。
相对于现有技术，本发明的分色镜及采用该分色镜的投影装置通过使用具有特定光学厚度范围和层数的多层膜可以有效减小P-Pol光和S-Pol光透射光谱相互之间的偏移。由于第一膜堆和第二膜堆的复合层层数均在7～14层之间，可有效地降低成本。
附图说明
图1所示为本发明投影装置部分光学元件的光路示意图，其中该投影装置包括一片分色镜。
图2所示为图1中分色镜的膜层结构示意图。
图3所示为图1中分色镜的透射光谱示意图。
图4所示为本发明的分色镜与一般设计的分色镜对不同入射角度光束之P-Pol光和S-Pol的波长偏移对比示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的较佳实施方式进行描述。
如图1所示，投影装置10包括光源系统20和合光系统30，光源系统20包括第一发光二极管202和第二发光二极管204，其中第一发光二极管202用于发出第一波长的光束，第二发光二极管204用于发出第二波长的光束，合光系统30包括第一准直透镜302、第二准直透镜304及分色镜300。第一准直透镜302和第二准直透镜304分别被设置成位于第一发光二极管202和第二发光二极管204的出射光路上。
第一准直透镜302用于将第一发光二极管202发出的光束准直成第一平行光束202B，第二准直透镜304用于将第二度光二极管204发出的光束准直成第二平行光束202G，第一平行光束202B和第二平行光束202G分别以45度角入射到分色镜300上，该分色镜300透过第一平行光束202B，而反射该第二平行光束202G。第二平行光束202G经分色镜300反射后，其传播方向与透过分色镜300的第一平行光束202B的传播方向基本相平行，从而得到混合光束206。混合光束206经受电压信号控制的液晶分子或者DMD器件(图未示出)调制后，即可得到带有图像信号的光束、然后经投影镜头投射到显示屏幕(图未示出)上、从而得到可以视觉感知的图像。
特别地，图1所示的第一发光二极管202可以为绿光二极管，用于发出绿色光束；第二发光二极管204可以为蓝光二极管，用于发出蓝色光束。分色镜30可以透过绿色光束，而反射蓝色光束。
如图2所示，分色镜300为由多层高低折射率材料形成的多层薄膜，其包括基底层310，第一膜堆320和第二膜堆340。基底层310为透明材料，例如K9玻璃等。第一膜堆320和第二膜堆340依次形成于基底层310之上。第一膜堆320和第二膜堆340均由高折射率材料和低折射率材料交替形成，其中，高折射率材料可以为TiO2、Nb2O5，Ta2O5等，低折射率材料可以为SiO2等。
第一膜堆320包括若干个复合层323、第二膜堆340包括复合层343。“复合层”323、343是指一层高折射率材料和一层低折射率材料叠加形成的结构，其中，复合层323包括高折射率膜层322和低折射率膜层324、复合层343包括高折射率膜层342和低折射率膜层344。第一膜堆320包括N1个复合层323(2H L)，N1＝7～14。第二膜堆340包括N2个复合层343(0.325H0.65L)，N2＝7～14。其中，H表示厚度为λ0/4的高折射率薄膜，L表示厚度为λ0/8低折射率薄膜，2H代表2倍厚度的λ0/4高折射率薄膜、λ0为设计波长。
在本实施方式中，以波长λ0＝630nm设计优化各个膜堆之光学厚度和膜的层数，第一膜堆320包括10个复合层323(2HL)，第二膜堆340包括10个复合层343(0.325H 0.65L)。
如图3所示，P-Pol光和S-Pol光以45度角入射到分色镜300的透射光谱示意图，其横轴表示波长，纵轴表示透过率，透过率即透过分色镜的光束能量与入射光束能量的比值。由该图可知，P-Pol光在波长小于450nm的光谱区域内，其光束的透过率接近0％。P-Pol光在波长位于450nm到500nm之光谱区域，其透过率在一较小的波长范围内迅速增长到100％，透过率为50％时对应的P-Pol光波长为490nm，P-Pol光在波长大于500nm的光谱区域，其透过率稳定在100％，且其有较小的波动(ripple)。因为一般蓝光的波长范围为450mm～435nm，中心波长440nm：一般绿光的波长范围为577nm～492nm，中心波长550nm，所以该分色镜300可以较好地反射蓝色的P-Pol光而透过绿色的P-Pol光。对于S-Pol光，其透射光谱相对P-Pol光的透射光谱向长波方向移动，故该分色镜300对蓝色的S-Pol光具有很好的反射率，而且S-Pol光从520nm开始透过率即基本为100％，所以该分色镜300对绿色的S-Pol光也具有很好地透过率。
请一并参阅图4及表1和表2，图4为一般设计的分色镜与本实施方式的分色镜在透过率为50％时对于不同角度入射的P-Pol光和S-Pol光的波长偏差对比示意图。其中横轴表示光束入射角度，纵轴表示P-Pol光和S-Pol对应波长的偏差值，表1表示一般设计的分色镜透过率T＝50％时对应的波长及偏差值，表2表示本实施方式的分色镜T＝50％时对应的波长及偏差值。
表1一般设计的分色镜T＝50％时对应的波长
入射角 P-Pol光(nm) S-Pol光(nm) 偏差值(nm)
  40度   499   517   18
入射角 P-Pol光(nm) S-Pol光(nm) 偏差值(nm)
45度 490 512 22
50度 481 507 26
表2本实施方式的分色镜T＝50％时对应的波长
  入射角   P-Pol光(nm)   S-Pol光(nm)   偏差值(nm)
  40度   501   508   7
45度 495 503 8
  50度   489   499   10
由表1和表2可知，一般设计的分色镜，入射角度为45度时，T＝50％，P-Pol光对应的波长为490nm.S-Pol光对应的波长为512nm，偏差值为22nm。本实施方式之分色镜300，入射角度为45度时，T＝50％，P-Pol光对应的波长为495nm，S-Pol光对应的波长为503nm，偏差值为8nm。即本实施方式中的分色镜，P-Pol光和S-Pol光在相同入射角度下，透射光谱更加靠近，因而可以有效地反射蓝色光而透过绿色光。由于第一膜堆320和第二膜堆340的复合层层数均在7～14层之间，可有效地降低成本。

Claims (6)

1.一种分色镜、包括基体层，第一膜堆和第二膜堆，所述第一膜堆和第二膜堆依次形成于所述基体层之上，所述第一膜堆和第二膜堆分别由高折射率材料和低折射率材料交替形成，其特征在于：所述第一膜堆包括N1个由所述高折射率材料和低折射率材料形成的复合层，且所述第一膜堆的高折射率薄膜的厚度为四分之一设计波长的2倍，低折射率薄膜的厚度为八分之一设计波长，N1＝7～14：所述第二膜堆包括N2个由所述高折射率材料和低折射率材料形成的复合层，且所述第二膜堆的高折射率薄膜的厚度为四分之一设计波长的0.325倍，低折射率薄膜的厚度为八分之一设计波长的0.65倍，N2＝7～14。
2.如权利要求1所述的分色镜，其特征在于：所述第一膜堆的复合层N1＝10，所述第二膜堆的复合层N2＝10。
3.如权利要求1所述的分色镜，其特征在于：所述设计波长为630nm。
4.一种投影装置，包括光源系统和合光系统，所述光源系统包括第一发光二极管和第二发光二极管，所述第一发光二极管发出第一波长的光束，所述第二发光二极管发出第二波长的光束，所述合光系统包括至少一片分色镜，所述至少一片分色镜用于将所述第一波长的光束和第二波长的光束混合成一束光束，所述分色镜包括基体层，第一膜堆和第二膜堆，所述第一膜堆和第二膜堆依次形成于所述基体层之上，所述第一膜堆和第二膜堆分别由高折射率材料和低折射率材料交替形成，其特征在于：所述第一膜堆包括N1个由所述高折射率材料和低折射率材料形成的复合层，且所述第一膜堆的高折射率薄膜的厚度为四分之一设计波长的2倍，低折射率薄膜的厚度为八分之一设计波长，N1＝7～14；所述第二膜堆包括N2个由所述高折射率材料和低折射率材料形成的复合层，且所述第二膜堆的高折射率薄膜的厚度为四分之一设计波长的0.325倍，低折射率薄膜的厚度为八分之一设计波长的0.65倍，N2＝7～14。
5.如权利要求4所述的投影装置，其特征在于：所述第一膜堆的复合层N1＝10，所述第二膜堆的复合层N2＝10。
6.如权利要求4所述的投影装置，其特征在于：所述设计波长为630nm。
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